异形导向管内乏燃料组件换热特性试验研究

吴增辉 程瑞琪

（中国核动力研究设计院，四川 成都610213）

0 引言

快堆换料过程中，转运机是最关键、最复杂的机械机构，如图1所示。它主要由抓取装置和异形导向管组成，可到达乏燃料组件运输容器区域以及乏燃料储存等区域[1]，同时能运输并旋转燃料组件，使乏燃料组件在反应堆堆芯和转运桶之间移动并到达指定位置[2]。由于在卸料过程中，乏燃料组件会多次暴露于传热性能较差的氩气中，如果转运机因故卡停，将出现传热恶化，严重时可能导致事故发生。为保证燃料包壳最高温度低于设计限值，防止放射性泄漏以及严重事故发生[3]，开展带异形导向管的缩放尺寸模拟组件换热试验，研究其温度分布及换热特性。

图1 燃料抓取机

1 试验系统

1.1 试验装置

试验装置如图2所示。压力容器内径为500 mm，高度为2 000 mm，可模拟封闭气体大空间；导热油加热设备通过盘管与压力容器外壁连接，可通过内部温度控制系统建立高温稳定边界条件；真空泵和氩气瓶可建立氩气环境；程控电源通过密封法兰与试验段连接，可提供稳定加热；数据采集系统用于采集压力、温度等数据。

图2 试验装置示意图

1.2 试验段

试验段为37棒模拟组件，被竖直放置于压力容器中心位置。模拟组件由棒束和组件盒组成，如图3所示。棒束呈六角形排列，由30根加热棒和7根测温棒组成，测温棒不加热。加热棒的内部结构如图4所示，棒内使用导热性能较好的MgO粉末填充压实。根据导电率随温度的变化关系，将处于对称位置的加热棒组合，分为5组，即H1~H5，如图3（b）所示。中心测温棒（M1）内安装有4只热电偶，外圈测温棒（M2~M7）分别安装有2只热电偶，热电偶位置信息如图5所示。组件盒为正六边形结构，其外壁中线安装有热电偶，依次为z=400 mm，500 mm，600 mm，700 mm，800 mm，900 mm处。

图3 试验段

图4 加热棒的结构图

图5 测温棒内热电偶位置

1.3 导向管

异形导向管由全尺寸转运机简化而来，忽略乏燃料组件转运机构上方抓取机构、过渡接头等机械结构以及一侧的链条机构，仅保留与模拟组件等长部分的导向管，如图6所示，其中，一侧的中空结构表征链条轨道区域。在a、b、c面的中线分别安装有热电偶，依次位于z=100 mm，400 mm，500 mm，600 mm，700 mm，800 mm，900 mm，1100 mm处。

图6 异形导向管

2 试验结果

2.1 试验条件

试验过程中，加热功率为400~1000 W，边界温度为70℃~125℃。当任一测点温度达到Ti，且长时间（试验以三小时为基准）稳定在Ti±0.5℃时，判定试验达到稳态。

2.2 试验结果

改变模拟组件的加热功率和环境温度，开展密封氩气环境下模拟组件的稳态试验。稳态情况下，对比M2~M7中位于z=350 mm和z=500 mm处的两对热电偶读数，其差值如图7所示。其中，容器内壁6个温度测点读数相近，使用环境温度均值作为最终边界温度参考值。由图7可知，两个高度的热电偶读数在各个工况下的差值绝对值均小于1.5℃，在热电偶测量误差范围内，所以，确定两个测温点间的温度始终相同。即，异形导向管结构下，模拟组件内温度场仍呈对称分布，温度分布未发生明显偏移。

图7 M 4&M 7中z=350 mm和M 4&M 6中z=500 mm的温差

由于模拟组件内温度场仍为对称分布，所以，M2~M7内的轴向温度分布一致，从而得到M1、M2~M7组件盒壁面以及不规则导向管三个外壁面温度分布如图8~12所示。

图8 M 1内温度分布

由图8~12可知：

（1）中心棒加热段内温度变化趋势平缓，最高温度位于M1的z=800 mm处，但与其他三个测点差值较小；

（2）非加热段和加热段之间存在温度剧烈变化区域，由M2~M7中z=1000 mm和z=100 mm处温度值可知，管内存在较强对流换热，上半部分温度明显高于下半部分温度；

（3）底端非加热段温度接近于环境温度，说明试验本体轴向导热能力有限；

（4）环境温度变化对组件内以及组件表面温度变化影响较小，环境温度为90℃，在±20℃范围波动时，视作对组件温度保持不变，加热功率为影响其温度分布的关键因素；

（5）a面温度呈线性分布趋势，说明由于侧面中空结构的存在，组件向a面传热受阻；

图9 M 2~M7内温度分布

图10 组件盒外壁温度分布

图11 导向管A面温度分布

图12 导向管b&c面温度分布

（6）b和c对应的不锈钢壁厚度虽然不同，但其导热性良好，经组件向内壁面传热后由经导热传至外壁面，所以，b和c面的温度分布相同。

对比不规则导向管的a面上同位置的温度差值，结果如图13所示。由图13可知，b面非加热段温度与a面基本相同，但对应加热段内温度差值随着功率的升高而逐步增大，在加热段内，模拟组件向外辐射换热对导向管温度分布的影响明显，且功率越高，辐射换热占总热量份额越大。

图13 导向管b面与a面温度差值

3 结果分析

由于模拟组件内温度场仍为对称分布，因此，研究其与周围环境换热机理时，可将异形导向管作为圆管状导向管。由于模拟组件内温度远高于外部环境，因此，重点研究模拟组件内部换热。

3.1 模拟组件棒束间自然对流

受加热段影响，棒束轴向方向存在温度差，导致内部的氩气在轴向方向上存在密度差，进而推动氩气在棒束间的流动，与外部形成自然循环。忽略进出口由于形状突变产生的压降，可知[4]：

公式（1）~（2）中，各个物理量的含义见表1。

表1 符号的意义

基于以上分析，可得到不同特征温度条件下的气体流速，进而求得棒束间自然对流带走的热量，QFA：

结合公式（1）~（3），可求得各个工况下的气体流速、自然对流传热量及其占比。结果表明：功率升高导致温差逐步加大，棒束间气体流速及其自然对流散热量均逐步增加，但自然对流占比较小，最大仅为1.5%。

3.2 模拟组件内部换热

由于模拟组件内部棒束数量较多，且均有绕丝结构，整体结构比较复杂，所以，换热模式虽然简单，但进行定量的机理分析难度较大。为评估其内部的换热机理，此处，借鉴Manteufel[5，6]的换热模型，即对两区域模型进行分析，开展相关分析。

最终，通过理论分析获得两区域内的等效辐射热导率，得出利用组件盒壁面温度快速推算中心棒最高温度的经验关系式如下：

式中，各个物理量的含义见表2。

经过处理，上述方程组可简化为：

符号 物理意义 符号 物理意义Q 发热功率 σ 斯忒藩-波尔兹曼常数F peak[7，8] 轴向功率峰因子 d 燃料棒直径L a 加热段长度 Lc 组件截面周长S 截面导热因子 F cond，w 壁面导热因子F cond[9] 导热修正系数 f 燃料棒体积份额k gas 气体导热率 w 最外圈棒的中心到壁面的距离Tm 中心棒温度 Tw 组件盒壁温度T e 虚拟边界温度 p 棒间距C rad 内部辐射换热系数

式中，ε为棒的表面发射率。

由计算可知：虚拟边界温度Te与组件盒壁温度Tw温差值基本为0，为方便计算可直接使用Tw替代Te求解模拟组件内最高温度Tm。经过棒表面发射率的敏感性分析，ε在[0.3，0.35]范围内时，模型理论值与实验值较为一致，此时，模型适用性良好。

4 结论

针对快堆燃料抓取机卸料过程中卡停故障的典型工况，开展带异形导向管的37棒模拟组件换热试验。得到如下结论：

（1）环境温度的波动对组件内最高温度无明显影响，加热功率是影响其变化的关键因素。

（2）异形导向管结构下，模拟组件内温度场仍为对称分布，导向管横截面形状对内部温度分布无明显影响，可将其视作管状导向管进行换热特性分析。

（3）基于Manteufel等建立的模型，分析得到利用组件盒壁面温度推算中心棒温度的经验关系式。结果表明：当发射率时，实验值与预测值吻合较好，此时模型较为准确。